作者 | Kohava Mendelsohn
航天機構希望避免歐羅巴快船探測器的電晶體恐慌事件。
2024年10月14日，美國國家航空航天管理局發射了歐羅巴快船探測器。但就在幾個月前，美國國家航空航天局發現一組電晶體可能會在木星極端輻射級別的環境中發生故障，該探測器差一點就報廢了。最終，歐羅巴快船團隊增加了一個“金絲雀報警盒”，監測執行任務過程中輻射的影響。
阿肯色大學電子工程教授艾倫•曼圖斯（Alan Mantooth）說，如果美國國家航空航天局早一點發現這些電晶體的問題，或者在電路中設計內建監控系統，就不會發生這種混亂。曼圖斯說，金絲雀報警盒是“ 一種聰明的補救方法，但它也僅僅是一種補救措施”。
20世紀60年代以來，人們一直在設計能夠在放射性環境中工作的抗輻射電子裝置。不過，未來的太空探索任務可能會採用新技術，包括替代性的半導體材料、專用電晶體、整合光子學和抗輻射儲存器。如果幸運的話，這些技術進步將有助於避免歐羅巴快船探測器電晶體引發的那種“最後一刻”恐慌。
中佛羅里達大學的工程學教授張恩霞（Enxia Zhang，音）說，目前航天器上大多數動力裝置中的半導體都採用了矽，但下一代裝置將使用碳化矽。碳化矽的抗輻射能力較強，因為它的帶隙較寬（帶隙是電子從被原子核束縛到參與傳導所需的能量）。矽的帶隙為1.1電子伏特，而碳化矽的帶隙為3.3到3.4電子伏特。這意味著擾亂一個碳化矽電子需要更多的能量，因此一定劑量的輻射不太可能造成擾亂。
英飛凌公司從事航空航天和國防專案的工程師埃裡克•法拉奇（Eric Faraci）說，現在，人們正在計劃測試碳化矽裝置。張恩霞說，美國國家航空航天局正在測試用於太空任務的碳化矽裝置，預計該機構將在未來的月球任務和金星任務中使用碳化矽。
氮化鎵是另一種半導體，其帶隙較寬，為3.2電子伏特。氮化鎵在LED中最常見，也用於筆記型電腦充電器。曼圖斯說，氮化鎵最適合寒冷的地方，比如火星表面或月球的背面。但是，“如果要探測水星，或者要探測靠近太陽的地方……碳化矽才是更好的選擇。”
研究人員也在探索設計抗輻射矽電晶體的不同方法。互補金氧半導體（CMOS）生產工藝通常有兩種：其一是絕緣體上矽電晶體（SOI電晶體），其二是鰭式場效應電晶體（FinFET）。這兩種方法都是為了防止一種名為單粒子效應的輻射損傷。單粒子效應是指，一個高能粒子擊中電子裝置， 將電子震動到不應該出現的地方。
在普通的互補金氧半導體中，電流透過溝道從源極流向漏極，位於矽頂層的柵極會阻擋或允許電流流動。但是，單粒子效應可以激發矽深處的電荷，繞過柵極的控制。抗輻射方法可阻礙這些受激電子的運動。
絕緣體上矽電晶體在源極和漏極下面增加了一層絕緣體，如二氧化矽，這樣電荷就無法輕易繞過柵極。鰭式場效應電晶體則將漏極、源極和它們之間的通道提升為一個或多個3D鰭。那麼，受激電荷必須向下流動，繞過去，然後再向上流動，才能繞過柵極。
製造絕緣體上矽電晶體和鰭式場效應電晶體的技術已經有幾十年的歷史了。亞利桑那州立大學的電氣工程教授休•巴納比（Hugh Barnaby）表示，21世紀前後，太空電子裝置仍然在使用互補金氧半導體器件，這些器件體積龐大，可以降低輻射風險。但互補金氧半導體器件的尺寸越來越小，因此更容易受到輻射的影響，於是人們又對這些抗輻射互補金氧半導體器件產生了興趣。
光子系統使用光而不是電子來傳遞資訊。喬治亞理工學院的電子學教授約翰•克雷斯勒（John Cressler）表示，目前，矽基光子積體電路多用於資料中心的高頻寬傳輸，也可以用於在航天器內傳輸大量資料。
克雷斯勒說，太空中的系統“要收集或移動大量資料，透過光子來實現要容易得多”。
那麼，光子最大的優勢是什麼？光子積體電路天然具有抗輻射能力，因為其資料傳輸使用的是光子而不是電子。光子不帶電荷，高能輻射不能像干擾電子那樣干擾光子。
克雷斯勒預計整合光子將在未來兩年內用於航天器。
計算機通常使用的是易失性儲存器，這意味著一旦斷電，它們就無法儲存其狀態。而非易失性儲存器能夠在斷電時記住其狀態。
在太空非易失性儲存器應用中，磁阻式隨機存取儲存器（MRAM）和電阻式隨機存取儲存器（ReRAM）比較領先。磁阻式隨機存取儲存器使用磁性狀態儲存資料，而電阻式隨機存取儲存器則將資料儲存為電阻。這兩種技術都具有先天的抗輻射能力。
電阻式隨機存取儲存器還有一個好處，那就是探測器通常不具備處理自身資料的能力，而是會將資料傳送回地球。基於電阻式隨機存取儲存器的電路耗電較少，因此太空探測器可以進行更多的機上計算，節省通訊頻寬和時間。
雖然人們仍在研究太空級別的阻式隨機存取儲存器和電阻式隨機存取儲存器，但中佛羅里達大學的張恩霞預測，未來10到15年內，我們將在航天器上看到非易失性儲存器。2023年，美國太空部隊與西部資料公司簽訂了一份3500萬美元的合同，目的是開發抗輻射非易失性儲存器。
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本文轉載自“悅智網”，原標題《深空晶片的4種未來》。
為分享前沿資訊及有價值的觀點，太空與網路微信公眾號轉載此文，並經過編輯。
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